张来喜，钱 峰，吴明亮

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

振动是日常生活中常见的一种物理现象。对于有利振动，可以对其加以利用，对于有害振动，则需要避免甚至是消除。为减小有害振动，可以利用隔振、动力吸振、冲击减振等方法进行振动控制。其中，冲击减振器因结构简单、抑振频带宽、减振效果稳定，吸引了国内外学者广泛研究。冲击减振是通过在振动结构的内腔中安装冲击质量块，或者在振动主结构上附加冲击减振装置，当主结构在外界激励下发生大幅度振动时，利用冲击质量块在腔体中与两侧壁面往返碰撞来转移和耗散振动能量，并且由碰撞引起的能量损耗越大，减振效果越好，因此被广泛应用于建筑、机械领域。冲击减振效果会受到系统参数的影响，包括冲击质量块的质量、碰撞表面的弹性恢复系数、碰撞间隙等。因此，需要探究系统各参数对减振的影响规律，以此将参数调节到最佳值从而达到相对最佳的减振效果，并且不同的外界激励条件下会存在不同的最佳碰撞间隙。冲击减振由于碰撞过程复杂还具有非线性特性，一般用数值方法进行求解，而用解析法求解会有一定难度。

本文主要对冲击减振理论、冲击减振方法类型及应用方面展开分析研究，为冲击减振技术的发展提供一定的参考。

1 理论分析

国内外学者从冲击减振的理论分析、稳定性求解、系统参数、碰撞耗散能量等方面进行了大量深入研究。

Masri等[1-2]较早对冲击减振进行了研究，用解析法导出了冲击阻尼器的精确解，确定了其渐近稳定区域，研究了带有冲击减振器的多自由度系统稳态运动的精确解，发现冲击减振器可以有效降低多自由度系统的振动；Nigm等[3]对装有冲击阻尼器的多自由度系统的稳态振动运动进行了理论分析，探究了质量比、频率比、间隙比、阻尼系数和碰撞恢复系数对稳态振动运动的影响，并验证了理论分析与实验结果相吻合；蔡雅江[4]通过激振实验和切削实验，分析了冲击块质量和间隙对冲击式镗杆减振效果的影响；乔世民等[5]用模拟试验装置对冲击减振器进行了试验研究，揭示了冲击减振器的运动特性，探究了质量比、无量纲间隙、摩擦系数、阻尼参数对冲击减振器减振效果的影响；徐兴等[6]用数值仿真方法对冲击减振器进行了研究，结果表明冲击减振器在主系统的固有频率附近有很强的减振能力，研究发现冲击块与主质量之间的摩擦是减振的不利因素；胡卫兵等[7]给出了一种碰撞减振系统在谐振力作用下的稳态精确解，并根据分段线性系统的特点给出了解的渐近稳定判别准则，根据准则给出了稳定域，为设计、使用该系统提供了理论基础；徐志伟等[8]对垂直运动方向的冲击减振系统进行了理论分析和数值仿真，并与水平运动方向的冲击减振系统进行比较，发现垂直比水平的减振效果略有提升；赵文礼等[9]研究发现利用碰撞阻尼器可有效抑制振动，但这种非线性振动在一定参数条件下会产生倍周期分岔、HOPF分岔及拟周期环面破裂等分岔而进入混沌运动，为避免由于非线性特性而产生浑沌运动，设计和使用碰撞阻尼器时应考虑其参数满足周期运动的条件；卢绪祥等[10]建立了含对称间隙结构的碰撞振动动力学模型，对不同频率比、激振力幅值、间隙下的该模型的非线性振动特性进行了研究；王栋[11]详细分析了冲击减振器对结构振动能量的耗散过程，揭示了碰撞发生时刻，振动能量在系统各阶模态上转移、扩散规律，还探讨了提高冲击减振器快速耗能性能的途径。

经典的冲击减振器是由1个自由运动的冲击质量块和2个挡板组成，冲击质量块通过与2个挡板发生碰撞对能量进行耗散来起到减振作用。为了解决不同工程领域的振动问题，近年来人们基于冲击减振理论，在经典冲击减振器的基础上对冲击减振器的结构形式不断推陈出新，提出多种类型的新型冲击减振器并进行了相关研究和应用，分类讨论如下。

2 质量块碰撞阻尼器

经典的碰撞阻尼器利用自由运动的冲击质量块在结构腔体中与碰撞壁面发生冲击碰撞，通过转移和损耗振动能量进行减振。Wang等[12]将冲击减振器应用到车辆的底盘上，通过动能转移和目标能量转移可以减小惯性冲击力对乘客座舱的振动影响；李继伟等[13]在非线性能量阱(nonlinear energy sink，NES)结构的基础上附加冲击减振器，证明了冲击减振器与非线性能量阱耦合系统具有更好的减振效果；Nucera等[14-15]研究了冲击减振非线性能量阱(vibro-impact nonlinear energy sink，VI NES)对三层框架模型在地震激励下的减振效果，证实了冲击减振结构具有减振作用；Karayannis等[16]研究了不同主结构附加冲击减振装置后的减振效果，发现合适的冲击振动装置可以在宽频范围内显著减小主系统的最大振动响应；Li等[17]对装有缓冲碰撞阻尼器的三自由度试验结构进行了自由振动和受迫振动试验，研究发现缓冲碰撞阻尼器不仅可以降低峰值接触力和碰撞产生的加速度与噪声，还可以增强包括试验结构固有频率在内的广泛频率范围内的阻尼效果；Nakamura等[18]利用平衡冲击阻尼器(balanced impact damper，BID)来抑制行走和垂直地震作用下的楼板振动，通过振动台测试评估了安装在钢板上的BID的效果，结果表明在正弦波、地震运动和行走激励作用下，BID可以有效抑制钢板的垂直振动；Geng等[19]建立了带有冲击阻尼器的悬臂梁模型，如图1所示，研究了冲击减振器参数对减振效果的影响，结果表明该冲击阻尼器可以有效抑制悬臂梁的多个共振峰。

图1 带有冲击减振器的悬臂梁模型

经典的碰撞阻尼器仅有一个冲击质量块，由于其减振效果对碰撞间隔较为敏感，因此多单元碰撞阻尼器被提出以加强其减振性能。Masri[20]推导了多单元碰撞阻尼器用于控制简谐激励下的单自由度结构的精确解，并解释了动力稳定与非稳定区域等非线性行为；Lu等[21]研究多单元冲击阻尼器在随机和地震激励下对基准结构的振动控制效果，发现最优参数的多单元冲击阻尼器可以降低基准结构的响应，但是结构非线性会导致多单元冲击阻尼器的振动控制性能下降，有效动量交换和能量耗散也会下降，图2所示为多单元碰撞阻尼器；Gharib等[22]对线性粒子链冲击阻尼器与单自由度系统耦合的时间响应进行了数值模拟与实验验证，得出增加碰撞球的数量可以加快系统振动的衰减速度。

图2 多单元碰撞阻尼器

质量块碰撞阻尼器有如下特点：

1)质量块碰撞阻尼器结构简单，控制方便，对工程中发生的振动现象可实现有效抑制。

2)质量块碰撞阻尼器会对被控结构产生较大脉冲力，这种效应会引起被控结构的加速度响应出现脉冲波峰和高频振动。巨大的碰撞力还可能引起冲击块或碰撞挡板发生塑性变形，并且还会产生噪声。

为了避免以上碰撞阻尼器所产生的不利影响，密闭容器中带有许多颗粒的颗粒阻尼器被提出用于减小结构振动响应。

3 颗粒碰撞阻尼器

颗粒碰撞阻尼器是将颗粒材料按某一填充率放入结构内部或特定的空腔容器中而形成的耗能装置，主体结构振动时，颗粒与腔体之间、颗粒与颗粒之间不断发生碰撞和摩擦，产生动量交换并消耗系统的动能，从而减轻结构的振动[23]。

为解决飞机管道振动超标的问题，於为刚等[24]设计了一种基于颗粒碰撞阻尼技术的管道减振器，利用振动台试验研究了颗粒填充率对减振效果的影响，随颗粒填充率增加，管道的振动先减小后增大，将颗粒阻尼减振器安装在液压动力源管道上进行实际减振试验，发现安装颗粒阻尼减振器后，液压管道压力脉动频率下的振动水平得到了明显抑制，验证了所设计的飞机管道颗粒减振器的有效性和实用性；杨智春等[25]将颗粒碰撞阻尼器和动力吸振器结合，提出一种颗粒碰撞阻尼动力吸振器设计概念，以一个五层楼房框架模型为振动抑制对象进行了减振性能实验研究，并与相同质量的经典单质块动力吸振器进行比较，结果表明颗粒碰撞阻尼动力吸振器扩展了经典单质块动力吸振器的工作频率范围，对宽频带随机激励的振动响应具有良好的抑制效果，可应用于高层建筑的地震和风振响应控制；马崇武等[26]用“弹簧-质量块”系统模拟“悬臂梁-颗粒阻尼器”结构的一阶振动模态，研究发现随着颗粒阻尼器填充率的增大，阻尼比先增大后减小，存在最优填充率使得阻尼比达到最大值；杜妍辰等[27]提出了具有双重减振结构的带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼，研究发现其具有优秀的减振性能并存在最优参数组合，如图3所示。

图3 带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼器结构示意图

闫维明等[28]提出了一种适合沉管隧道使用的隔舱式颗粒阻尼器，并制作了模型隧道，对设置颗粒阻尼器前后的模型隧道进行了振动台试验，结果表明该颗粒阻尼器对沉管隧道纵向的减震控制效果良好，能有效降低模型隧道接头轴力和相对位移响应；闫维明等[29]还提出了一种针对土木工程减震需求的并联式单向单颗粒阻尼器，该颗粒阻尼器对不同场地下的地震均有良好的减震效果，并且场地效应对其减震效果影响不明显，更加适用于中低层结构；Sims等[30]使用颗粒阻尼器对工件加工中产生的振动进行控制，其研究表明颗粒阻尼器可以提升弹性加工件在机械切割时的颤振稳定性；Lu等[31]对带有颗粒阻尼器的多自由度系统进行了振动台试验研究，结果表明附加很小质量比的颗粒阻尼器即可以减小主体结构的响应，但是激励特性会影响颗粒阻尼器的减振性能；Wong等[32]研究了颗粒阻尼器的能量消耗机理，并通过离散元法精确预测了颗粒阻尼器的力学行为；王宝顺等[33]将颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器(tuned mass damper，TMD)的减振效果进行对比，发现TMD对共振时的减振效果更加显著，颗粒阻尼器对非共振时的减振效果更加显著，并且减小碰撞恢复系数或增大滚动摩擦系数可以提高颗粒阻尼器在非共振条件下的减振效果，图4为其所研究的颗粒阻尼器。

图4 颗粒阻尼器

颗粒碰撞阻尼器有如下特点：

1)颗粒碰撞阻尼器具有众多微颗粒，在冲击碰撞过程中可以有效减小碰撞力，降低冲击碰撞所产生的噪声，并且仍然具有良好的减振效果。

2)颗粒碰撞阻尼器由于颗粒微小且数量多，具有较强非线性特性，对其控制相对困难。

3)颗粒碰撞阻尼器和质量块碰撞阻尼器发生冲击碰撞对振动能量进行耗散，然而发生冲击碰撞需要一定的起振条件。当主体结构轻微振动时，碰撞机制不会发生导致颗粒碰撞阻尼器和质量块碰撞阻尼器不发挥减振作用。

由此出现了碰撞式调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper, PTMD)，其可以根据激励选择能量耗散部件，相比颗粒碰撞阻尼器和质量块碰撞阻尼器不需要起振条件，减振适应性更强。

4 碰撞式调谐质量阻尼器

PTMD是在 TMD的基础上，在质量块两侧一定间距处加装碰撞挡板，形成了一种新型的转移和消耗能量的装置。在主体结构剧烈振动时通过质量块冲击碰撞挡板来耗散振动能量，在主体结构轻微振动时以传统TMD模式耗散振动能量。

常见的碰撞式调谐质量阻尼器一般是指双面碰撞式调谐质量阻尼器(double-side pounding tuned mass damper，DS-PTMD)，如图5(a)所示。

图5 碰撞式调谐质量阻尼器

为解决水流中主结构系统受涡激振动影响的问题，Yang等[34]提出了一种具有双L型悬臂梁和流线型质量块的新型PTMD，结果表明当主体结构因水流的涡旋脱落而振动时，PTMD可以有效地对振动进行抑制并具有强鲁棒性；Xue等[35]研究了带有黏弹性冲击层的碰撞式调谐质量阻尼器的振动控制性能，通过输入地震激励来验证PTMD装置在多自由度系统中的性能，发现优化后的PTMD比传统TMD具有更好的抑振性能，其中黏弹性层的性质和碰撞间隔是影响PTMD振动控制性能的关键因素；孔凡等[36]利用碰撞式调谐质量阻尼器PTMD控制近海单桩风力涡轮机塔身在风浪联合作用下的结构振动，以美国国家可再生能源实验室的5 MW基准海上单桩风力涡轮机为研究对象，研究结果表明PTMD对塔顶响应的控制效果较好，PTMD比TMD鲁棒性高，在参数失调时仍能保持较好的振动控制效果；Song等[37]提出利用PTMD对海底管道的涡激振动进行控制，通过数值分析和实验对其振动控制性能进行验证，发现安装PTMD可以有效提高管道结构的阻尼比，并有效降低管道结构的振动；李书进等[38-39]将滚动型调制质量阻尼器(TRMD)和PTMD结合，提出了一种可以置入空腔楼板内部空间的滚动碰撞式调制质量阻尼器(pounding tuned rotary mass damper，PTRMD)，如图6所示，并对其减振性能进行了研究，结果表明结构在自由振动、简谐激励及地震作用下都具有良好的减振性能。

图6 滚动碰撞式调制质量阻尼器

随着对PTMD研究的不断深入，出现了单面碰撞式调谐质量阻尼器(single-side pounding tuned mass damper，SS-PTMD)，该型阻尼器取消了冲击块与挡板之间的间距这一参数，相比于DS-PTMD设计更简单，不受最优碰撞间隙参数的限制。Wang等[40-41]在双面碰撞式调谐质量阻尼器的基础上取消了一个限位挡板，使质量块在静平衡时刚好与碰撞挡板接触，碰撞间隙为零，由此提出了单面碰撞式调谐质量阻尼器(SS-PTMD)，如图5(b)所示。Wang等[42]还对单面碰撞式调谐质量阻尼器的性能进行了大量研究，例如通过风洞试验，验证了SS-PTMD可以有效控制风激励下的桥面模型涡激振动，其中SS-PTMD的质量比大于1%时，质量比的增加对SS-PTMD的性能不会有很大提高。王文熙[43]进行了洞庭湖大桥拉索减振试验，发现合理选择SS-PTMD的安装位置能有效提高SS-PTMD对大桥拉索的减振性能。

叶德惠[44]研究了温度变化对SS-PTMD振动控制效果的影响，并在不同温度下进行了振动控制实验，由实验得出在-20～45 ℃范围内，碰撞调谐质量阻尼器在自由振动和受迫振动两种加载方式下都具有较好的鲁棒性；何禹忠等[45]采用Wang等[41]提出的SS-PTMD基本力学模型，设计了悬臂式SS-PTMD，对其减振性能进行仿真分析与试验研究，研究发现碰撞调谐质量阻尼器在优化频率比条件下具有良好的减振效果，当频率比偏离时，减振效果降低，但仍具有较好的减振效果，证明了其具有较好的控制鲁棒性；李欣等[46]在SS-PTMD的基础上，创新提出了双重单面碰撞式调谐质量阻尼器(DSS-PTMD)，并对比了SS-PTMD和DSS-PTMD在自由振动与简谐激励下的减振性能，研究发现最优参数下DSS-PTMD的减振效果要好于SS-PTMD，当频率完全调谐和失调较小时，DSS-PTMD的减振效果更优，当频率失调较大时，反而SS-PTMD的减振效果更优。

碰撞式调谐质量阻尼器有如下特点：

1)PTMD结合了调谐质量阻尼器与碰撞阻尼器两者的优点。当发生轻微振动时，未发生碰撞，此时通过调谐作用来转移、消耗能量。当发生强烈振动时，发生碰撞，此时通过碰撞产生动能转移与碰撞耗能。

2)SS-PTMD取消了碰撞间隙这一参数，不论振动幅值的大小，碰撞总能发生并消耗振动能量。

5 结束语

对生产生活中的振动进行控制，一直是人们所关心并要解决的问题，而冲击减振因为具有出色的抑振效果，得到了人们持续不断的深入研究。最常见的3种冲击减振机构为质量块碰撞阻尼器、颗粒碰撞阻尼器、碰撞式调谐质量阻尼器。

1)质量块碰撞阻尼器结构简单，控制方便，但是产生的巨大碰撞力可能引起冲击块或碰撞挡板发生塑性变形，并会产生噪声。

2)颗粒碰撞阻尼器内部填充众多微小颗粒，有效降低了碰撞力和噪声，但是由于颗粒微小且数量多，具有非线性特性，导致对其控制相对较难。

3)碰撞式调谐质量阻尼器将碰撞阻尼器和调谐质量阻尼器相结合，既可以通过调谐作用转移和消耗能量，又可以通过碰撞转移和耗散能量，但是当振动轻微时，碰撞机制不会发生作用。

由此可见，3种冲击减振机构各有优势与不足，需结合实际工况择优利用。

以上3种冲击减振机构都利用了冲击减振理论进行振动控制，但是由于碰撞间隙的存在，碰撞过程需要一定的时间，当激励频率过高、振动频次过快时，冲击块来不及与碰撞壁面发生规律碰撞，导致对高频抑振性能欠佳。可以将冲击减振方法与动力吸振等减振方法相结合来提高减振性能。